JP2022541319A - 特にディスクブレーキ部品用の鋳鉄 - Google Patents

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Abstract

本発明は、炭素、ケイ素、バナジウム、マンガン、ニッケル、クロム、モリブデン、銅、硫黄、リン、錫およびチタンを含むねずみ鋳鉄であって、炭素の重量パーセントが３．７０から３．９０パーセント、ケイ素の重量パーセントが１．３０から２．１０パーセント、バナジウムの重量パーセントが０．１０から０．１５パーセント、マンガンの重量パーセントが０．６０から０．９０パーセント、ニッケルの重量パーセントが０．０５から0.５パーセント；クロムの重量割合は０．２０から０．３５パーセント；モリブデンの重量割合は０．１０パーセント以下；銅の重量割合は０．３５パーセント以下；硫黄の重量割合は０．１０パーセント以下；リンの重量割合は０．１０パーセント以下；錫の重量割合は０．１０パーセント以下；チタンの重量割合は０．０１パーセント以下；残りは鉄である。

Description

本発明は、特にブレーキディスク製造用鋳鉄、および当該鋳鉄を用いたディスクブレーキ用ブレーキディスクに関する。
周知のように、ねずみ鋳鉄製のブレーキディスクは、時間の経過とともにブレーキバンドが摩耗する。必然的に、そのような現象は、ディスクの持続時間に影響を与える。
そのため、自動車分野、特に高性能車では、耐摩耗性の高い鋳鉄製ブレーキディスクの製造の必要性が大きく感じられる。
耐摩耗性の向上は、環境中に放出される金属粉の低減につながる。
しかし、ねずみ鋳鉄製のディスクの耐摩耗性を高めるには、ブレーキディスクが受ける強度の高い機械的および熱的応力を考慮する必要がある。このような応力は、ブレーキバンドに高温をもたらし、ブレーキ性能の低下、さらにはブレーキバンドにクラックの形成をもたらす可能性がある。
また、ねずみ鋳鉄製のブレーキディスクは、その耐久性を高めるために、高い耐食性を有することが必要であると考えられている。したがって、耐摩耗性の向上が耐食性に悪影響を及ぼしてはならない。
当技術分野では、高い耐摩耗性と機械的耐性、耐熱性、耐食性などの高性能を同時に兼ね備えることができるねずみ鋳鉄の解決策は知られていない。
本発明の目的は、先行技術を参照して述べた欠点を克服したねずみ鋳鉄を提供することである。
このような欠点は、請求項1に係るねずみ鋳鉄によって克服される。
本発明による鋳鉄の他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に記載されている。
本発明の更なる特徴及び利点は、その好ましい非限定的な実施形態の以下に与えられる説明から、より明らかになる。
一般的な実施形態によれば、本発明のねずみ鋳鉄は、合金中に、炭素、ケイ素、バナジウム、マンガン、ニッケル、クロム、モリブデン、銅、硫黄、リン、錫およびチタンを含む。
このような合金元素は、鋳鉄の全重量に対する重量割合が以下の範囲となるように含有される。
- 炭素３．７０から３．９０重量パーセント。
- ケイ素 １．３０から２．１０重量パーセント。
- バナジウム ０．１０から０．１５重量パーセント。
- マンガン ０．６０から０．９０重量パーセント。
- ニッケル ０．０５～０．５０重量パーセント。
- クロム ０．２０～０．３５重量パーセント。
- モリブデンは０．１０重量パーセント以下。
- 銅 ０．３５重量パーセント以下。
- 硫黄 ０．１０重量パーセント未満。
- リン０．１０重量パーセント未満。
- 錫０．１０重量パーセント未満。
- チタン０．０１重量パーセント以下。
残りの重量は鉄である。
好ましくは、炭素の重量パーセントは、３．７０、３．８６パーセントである。
好ましくは、シリコンの重量パーセントは１．４０から２．０８パーセントである。
好ましくは、バナジウムの重量パーセントは０．１２から０．１４パーセントである。
好ましくは、マンガンの重量パーセントは０．６３から０．８５パーセントである。
好ましくは、ニッケルの重量パーセントは０．０６から０．４７パーセントである。
好ましくは、クロムの重量パーセントは０．２１から０．３５パーセントである。
好ましくは、銅の重量パーセントは０．１９から０．３５パーセントである。
好ましくは、錫の重量パーセントは０．０９パーセント以下である。
好ましくは、チタンの重量パーセントは０．００７９から０．０１パーセントである。
第１の好ましい実施形態によれば、ねずみ鋳鉄は、以下の組成を有する。
- 炭素３．８６重量パーセント。
- シリコン１．８５重量パーセント。
- バナジウム０．１２重量パーセント。
- マンガン０．６３重量パーセント。
- ニッケル０．０６重量パーセント。
- クロム０．２１重量パーセント。
- モリブデン０．００２重量パーセント。
- 銅０．１９重量パーセント。
- 硫黄０．０６５重量パーセント。
- リン０．０４重量パーセント。
- 錫０．０２３重量パーセント。
- チタン０．００７９重量パーセント。
残りの重量は鉄である。
第２の好ましい実施形態によれば、ねずみ鋳鉄は、以下の組成を有する。
- 炭素３．７０重量パーセント。
- 珪素２．０８重量パーセント。
- バナジウム０．１２重量パーセント。
- マンガン０．６５８重量パーセント。
- ニッケル０．４７重量パーセント。
- クロム０．２５５重量パーセント。
- モリブデン０．０３１２重量パーセント。
- 銅０．２３８重量パーセント。
- 硫黄０．０４６３重量パーセント。
- リン０．０３１重量パーセント。
- 錫０．０３８重量パーセント。
- チタン０．０１重量パーセント。
残りの重量は鉄である。
有利には、ねずみ鋳鉄は、０．１０から０．１４パーセント、好ましくは０．１２パーセントに等しい重量パーセントで、タングステンをさらに含むことができる。
第３の特に好ましい実施形態によれば、ねずみ鋳鉄は、以下の組成を有する。
- 炭素３．７５重量パーセント。
- シリコン１．４０重量パーセント。
- バナジウム０．１４重量パーセント。
- タングステン０．１２重量パーセント。
- マンガン０．８５重量パーセント。
- ニッケル０．１重量パーセント。
- クロム０．３５重量パーセント。
- モリブデン０．１重量パーセント。
- 銅０．３５重量パーセント。
- 硫黄０．１重量パーセント未満。
- リン０．１重量パーセント未満。
- 錫０．０９重量パーセント。
- チタン０．０１重量パーセント。
残りの重量は鉄である。
好ましくは、鋳鉄の鉄系マトリックスは、パーライト型または微細ラメラ型である。特に、鉄系マトリックスの重量に対するパーライトの重量パーセントは９５パーセント以上である。
好ましくは、ねずみ鋳鉄は、鉄マトリックスの重量に対して５パーセント未満の重量パーセントでフェライトからなる。さらに好ましくは、鉄マトリックスの重量に対するフェライトの重量パーセントは、１パーセントに等しい。
特に、ねずみ鋳鉄は、鉄マトリックスの重量に対して１パーセント以下の重量パーセントのセメンタイトおよび遊離炭化物からなる。
有利なことに、本発明の鋳鉄は、ディスクブレーキの部品の製造に使用することができる。
例えば、鋳鉄は、任意のタイプのディスクブレーキ用のブレーキディスクの少なくとも1つのブレーキバンドを製造するために使用することができる。
標準的な組成のねずみ鋳鉄からなるブレーキディスクと、本発明に該当する３つの異なる組成を有する３つの鋳鉄からなるブレーキディスクとを比較する実験的摩耗試験が行われた。
比較例
以下の組成を有するねずみ鋳鉄を用いて、ブレーキディスクを得た。炭素３．７4重量パーセント；ケイ素１．６５重量パーセント；マンガン０．５５重量パーセント；ニッケル０．１重量パーセント；クロム０．１５重量パーセント；モリブデン０．１重量パーセント；銅０．２重量パーセント；硫黄０．１重量パーセント未満；リン０．０８重量パーセント未満；錫０．０２３重量パーセント；チタン０．０９重量パーセント；残りは重量で鉄。
鉄系マトリックスは、１重量パーセントのフェライト、９８．５重量パーセントのパーライトおよび０．５重量パーセントの炭化物からなる。
このようなねずみ鋳鉄製のブレーキディスクを、以下、比較ディスクと呼ぶ。
比較ディスクと同一であるが、本発明によるねずみ鋳鉄を使用し、以下の第１の組成を有する、第１のブレーキディスクを得た。炭素３．８６重量パーセント；ケイ素１．８５重量パーセント；バナジウム０．１２重量パーセント；マンガン０．６３重量パーセント；ニッケル０．０６重量パーセント；クロム０．２１重量パーセント；モリブデン０．００２重量パーセント；銅０．１９重量パーセント；硫黄０．０６５重量パーセント；リン０．０４重量パーセント；錫０．０２３重量パーセント；チタン０．００７９重量パーセント；残りが鉄。
鉄系マトリックスは、１重量パーセントのフェライト、９８重量パーセントのパーライト、１重量パーセントの炭化物からなる。
以下、このようなねずみ鋳鉄製のブレーキディスクをディスク１と称する。
比較ディスクと同一であるが、本発明によるねずみ鋳鉄を使用し、以下の第２の組成を有する第２のブレーキディスクを得た。炭素３．７０重量パーセント；ケイ素２．０８重量パーセント；バナジウム０．１２重量パーセント；マンガン０．６５８重量パーセント；ニッケル０．４７重量パーセント；クロム０．２５５重量パーセント；モリブデン０．０３１２重量パーセント；銅０．２３８重量パーセント；硫黄０．０４６３重量パーセント；リン０．０３１重量パーセント；錫０．０３８重量パーセント；チタン０．０１重量パーセント；残りは鉄。
鉄系マトリックスは、１重量パーセントのフェライト、９８重量パーセントのパーライト、１重量パーセントの炭化物から構成されている。
以下、このようなねずみ鋳鉄製のブレーキディスクをディスク２と称する。
比較ディスクと同一であるが、本発明によるねずみ鋳鉄を使用し、以下の第３の組成を有する第３のブレーキディスクを得た。炭素３．７５重量パーセント；ケイ素１．４０重量パーセント；バナジウム０．１４重量パーセント；タングステン０．１２重量パーセント；マンガン０．８５重量パーセント；ニッケル０．１重量パーセント；クロム０．３５重量パーセント；モリブデン０．１重量パーセント；銅０．３５重量パーセント；硫黄０．１重量パーセント未満；リン０．１重量パーセント未満；錫０．０９重量パーセント。チタン０．０１重量パーセント。残りが鉄。
鉄系マトリックスは、約１重量パーセントのフェライト、９７．５重量パーセントのパーライトおよび１重量パーセント未満の炭化物からなる。
以下、このようなねずみ鋳鉄製のブレーキディスクをディスク３と称する。
実証実験
比較用ブレーキディスクと本発明による３つのブレーキディスク（ディスク１、２、３）は、ブレーキシステムの分野でよく知られている技術試験を５回繰り返して実施された。このような試験の終わりに、３つのディスクの重量損失の低減は、基準ディスクと比較して５０－５５パーセントであることが浮かび上がった。
このような試験から、等しい条件下で、本発明によるブレーキディスク（ディスク１、２及び３）は、比較ディスクが経験する重量損失よりも著しく小さい重量損失を経験したことが浮かび上がった。平均して、本発明によるブレーキディスク（ディスク１、２及び３）は、比較ディスクのそれと比較して、５０パーセント未満の重量損失を有していた。
これは、本発明によるねずみ鋳鉄が、参照として取られる標準的なねずみ鋳鉄よりも大きな耐摩耗性を提供することを意味する。
試験結果の分析から、ディスク３は比較ディスクよりも重量損失の減少が顕著であることも判明した。このことから、このようなディスク3の製造に用いられるねずみ鋳鉄は、より顕著な耐摩耗性を得ることを可能にしていることが分かる。
同じブレーキディスク（比較ディスク、ディスク１、ディスク２、ディスク３）について、さらに機械的な観点と機能的なパラメーターの特徴を調べた。その結果を表1に示す。
Figure 2022541319000001
表１に示すデータの比較から、機械的耐性、耐熱性および耐食性の点で、ディスク１、２および３の性能は、標準的なねずみ鋳鉄を用いて作成したブレーキディスクの性能と実質的に同等であることが判明した。
このことはすべて、比較ディスクの製造に使用された標準的なねずみ鋳鉄に関して、本発明によるねずみ鋳鉄は、炭素（黒鉛）、ケイ素の重量パーセント、クロムおよびモリブデンの重量パーセントの合計に大きな変化を伴わないという事実によっても間接的に確認されている。
多量の炭素（グラファイト）により、本発明による鋳鉄は高い熱伝導性を有し、これにより制動ショックの間に高い熱交換を行うことができる。それにより、ブレーキシステムを多用した後でも、熱応力によるクラックの危険性が著しく低減される。また、本発明に係る鋳鉄は、高い減衰能力を有し、これは、亀裂の形成及び拡散に対する抵抗力を高めることに寄与する。
本発明の鋳鉄に含まれるケイ素の割合により、黒鉛化効果が得られ、セメンタイトや炭化物の生成を防止することができる。
さらに、クロムとモリブデンは、金属マトリックス中のラメラパーライトの形成を安定化させる。
ブレーキシステムに適したブレーキディスクの設計中に使用される標準試験の５回の繰り返しの終わりに、比較ディスクとディスク１，２及び３と関連して使用されるパッドの重量損失も次に測定された。
データ比較から、ディスク１、２、３は、比較ディスクによって引き起こされる摩耗と実質的に同等である、パッドの摩耗を引き起こすことが浮かび上がった。したがって、耐摩耗性の増加は、本発明による鋳鉄を使用して作られたディスクに関連するパッドの摩耗の増加を引き起こさない。
説明から理解できるように、本発明のねずみ鋳鉄は、先行技術に示された欠点を克服することを可能にする。
特に、本発明による鋳鉄及び当該鋳鉄からなる関連するブレーキディスクは、参考としてとられる標準的なねずみ鋳鉄よりも有意に大きな耐摩耗性を提供する。このような増加は、機械的耐性、耐熱性、及び耐腐食性の悪化をもたらさない。
実際、本発明によるねずみ鋳鉄からなるブレーキディスクの性能は、機械的耐性、耐熱性、耐食性の点で標準的なねずみ鋳鉄からなるブレーキディスクの性能と同等である。
また、本発明によるねずみ鋳鉄によって確保された耐摩耗性の向上も、パッドの摩耗を大きく変化させないことが明らかになった。実際、重量損失から得られるデータから、ディスク１、２及び３に関連するパッドは、比較ディスクに関連するパッドと実質的に（重量損失の点で）同様の方法で摩耗していることが浮かび上がった。特に、比較ディスクと比較して、ディスク３の場合、パッドの摩耗の減少が実際に見られる。
特定の偶発的なニーズを満たすために、当業者は、上述した鋳鉄およびブレーキディスクにいくつかの変更および変形を加えることができ、これらはすべて以下の請求項によって定義される本発明の範囲に含まれるものである。

Claims (18)

  1. 炭素、ケイ素、バナジウム、マンガン、ニッケル、クロム、モリブデン、銅、硫黄、リン、錫およびチタンを含むねずみ鋳鉄であって、ここで
    - 炭素の重量パーセントは３．７０から３．９０、
    - ケイ素の重量パーセントは１．３０から２．１０、
    - バナジウムの重量パーセントは０．１０から０．１５、
    - マンガンの重量パーセントは０．６０から０．９０、
    - ニッケルの重量パーセントは０．０５から０．５０、
    - クロムの重量パーセントは０．２０から０．３５、
    - モリブデンの重量パーセントは０．１０以下、
    - 銅の重量パーセントは０．３５以下、
    - 硫黄の重量パーセントは０．１０未満、
    - リンの重量パーセントは０．１０未満、
    - 錫の重量パーセントは０．１０未満、
    - チタンの重量パーセントは０．０１未満、
    残りの重量は鉄で構成されているねずみ鋳鉄。
  2. 炭素の重量パーセントが３．７０パーセントから３．８６パーセントであることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳鉄。
  3. ケイ素の重量パーセントが１．４０パーセントから２．０８パーセントである請求項１、２または３に記載の鋳鉄。
  4. バナジウムの重量パーセントが０．１２パーセントから０．１４パーセントである、請求項１から３のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  5. マンガンの重量パーセントが０．６３パーセントから０．８５パーセントである、請求項１から４のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  6. ニッケルの重量パーセントが０．０６パーセントから０．４７パーセントであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  7. クロムの重量パーセントが０．２１パーセントから０．３５パーセントであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  8. 銅の重量パーセントが０．１９パーセントから０．３５パーセントであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  9. 錫の重量パーセントが０．０９パーセント以下である、請求項１から８のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  10. チタンの重量パーセントが０．００７９パーセントから０．０１パーセントであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  11. 炭素３．８６重量パーセント、シリコン１．８５重量パーセント、バナジウム０．１２重量パーセント、マンガン０．６３重量パーセント、ニッケル０．０６重量パーセント、０．２１重量パーセントのクロム、０．００２重量パーセントのモリブデン、０．１９重量パーセントの銅、０．０６５重量パーセントの硫黄、０．０４重量パーセントのリン、０．０２３重量パーセントの錫、０．００７９重量パーセントのチタンで、残りの重量は鉄である、請求項１から１０のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  12. 炭素３．７０重量パーセント、シリコン２．０８重量パーセント、バナジウム０．１２重量パーセント、マンガン０．６５８重量パーセント、ニッケル０．４７重量パーセント、０．２５５重量パーセントのクロム、０．０３１２重量パーセントのモリブデン、０．２３８重量パーセントの銅、０．０４６３重量パーセントの硫黄、０．０３１重量パーセントのリン、０．０３８重量パーセントの錫、０．０１重量パーセントのチタン、残りの重量は鉄である、請求項１から１１のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  13. タングステンをさらに含み、タングステンの重量パーセントが０．１０から０．１４であり、好ましくは０．１２パーセントである請求項１から１２のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  14. 炭素３．７５重量パーセント、ケイ素１．４０重量パーセント、バナジウム０．１４重量パーセント、タングステン０．１２重量パーセント、マンガｎ０．８５重量パーセント、ニッケル０．１重量パーセント、０．３５重量パーセントのクロム、０．１重量パーセントのモリブデン、０．３５重量パーセントの銅、０．１重量パーセント未満の硫黄、０．１重量パーセント未満のリン、０．０９重量パーセントの錫、０．０１重量パーセントのチタン、残りの重量が鉄である請求項１３に記載の鋳鉄。
  15. 前記鋳鉄のマトリックスがパーライト質、または微細ラメラ質であり、好ましくは、鉄マトリックスの重量に対するパーライトの重量パーセントが９５パーセント以下である、請求項１から１４のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  16. フェライトを、鉄マトリックスの重量に対して５パーセントより低い重量パーセント、好ましくは１パーセントに等しい重量パーセントで含む、請求項１から１５のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  17. 鉄マトリックスの重量に対して１パーセント以下の重量パーセントのセメンタイトおよび遊離炭化物を含む、請求項１から１６のいずれか一つに記載の鋳鉄。
  18. 請求項１から１７のいずれかに記載の鋳鉄製の制動面からなるディスクブレーキ用ブレーキディスク。
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